空气开关的过载保护和短路保护原理是什么？

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空气开关学名微型断路器，符号MCB。除塑壳与框架断路器外，它同属断路器家族，所示。

别看空气开关体积小巧，但功能齐全，具备断路器的所有功能。它能切断故障线路（断电），是因为它可以切断过载电流和短路电流。这种能力被称为线路保护，确保电路安全可靠。下面，我来谈谈空气开关的线路保护功能。请看下面这幅图：

空气开关内部结构较为复杂，其中关键部件主要包括三个部分。一是操动机构，由操作手柄和操作机构组成；二是热脱扣器，核心元件为双金属片，负责过载保护，触发操动机构进行过载跳闸；三是磁脱扣器，主要元件是线圈，用于检测短路电流并驱动操动机构完成短路跳闸，实现短路保护功能。这些部件协同工作，确保开关的正常运行与安全性能。

中学

电流通过双金属片时，由于电流产生的热量，双金属片会向热膨胀系数较小的一侧弯曲。其中，热膨胀系数较大的金属层称为主动层，系数较小的称为被动层。空气开关中，双金属片的主动层材料通常包括锰镍铜合金、镍铬铁合金、镍锰铁合金及镍等，而被动层主要采用含镍量为34%到50%的镍铁合金。需要留意的是，温度变化存在延迟现象。当电流升至特定值时，双金属片不会立即达到设定的弯曲程度，而是会延迟一段时间。正因如此，空气开关的过载保护动作与时间呈现出一定的相关性。我们都学过焦耳定律：假设导体中电流为I，电阻为Rx，电阻率为ρ，长度为L，截面积为S，通电时间为t，则导体产生的热量Q为： ，式1

导体发热与电流平方和通电时间成正比，空气开关过载保护需兼顾这两点。导体或导线在运行状态下的最高允许温度固定，对应的电阻Rx也固定，因此Q与Rx的比值可视为定值，记为K。对公式(1)进行变形，可推导出时间t的表达式如下： ，式2

式2为空气开关过载保护特性曲线方程。它表明，电流I越大，开关动作时间越短，这种特性称为反时限过载保护特性。中学数学学过，式2是二次指数方程，其曲线如下所示：

应注意，横坐标以电流与空气开关额定电流In的比值定义，且纵横坐标均采用对数刻度，以缩短曲线长度。下面让我们再次了解磁脱扣器线圈的动作特性。图2中磁脱扣器线圈绕有粗漆包线，短路电流流过时，线圈中部铁芯会产生磁通Φ与电磁吸合力F，表达式如下： ，式3

公式3被称为麦克斯韦电动力表达式。其中，μ0为真空磁导率，因空气磁导率与其接近，通常以真空磁导率代替。S代表铁芯磁极的截面积，而 表示磁极内的磁通量。

空气开关在电流达到短路保护设定值时，必须执行跳闸操作，这被称为定时限短路保护特性。其中，磁脱扣器线圈的动作时间t与电流大小存在特定关系：电流越大，动作时间越短，但始终保持一定规律性。 ，式4

短路保护动作时间与电流大小无关，当电流超过门限值时，磁脱扣器线圈即动作，推动空气开关跳闸。将空气开关的定时限和反时限特性曲线绘制于同一图表中，所示：

图4横坐标上方绿色垂直线表示短路动作门限值Ix与额定电流In的比值。当短路电流达到或超过Ix时，空气开关将执行短路保护并跳闸。空气开关为热磁式断路器，其原理模式图如下：

图5显示，上方为进线侧，有静触头与动触头。向下则是热脱扣器、磁脱扣器及下方的出线侧。向上推动右上侧操作手柄，断路器动触头在传动杆作用下与静触头闭合并保持闭合状态。过载或短路时，热脱扣器与磁脱扣器动作，推动脱扣杆上移，使动触头离开静触头，完成分闸操作。图5所示空气开关不含欠压与分励脱扣器，此处不予讨论。请看下面这张图：

图6里蓝色为冷态曲线，黄色为热态曲线。冷态指刚通电时空气开关，其内部温度与环境一致；热态则是运行半小时后，开关内部温度高于环境且已稳定。分析空气开关脱扣特性时，应采用热态曲线进行评估。图6展示的是B特性空气开关，专门用于照明回路的线路保护。其过载保护具有反时限特性，当电流在1.45倍额定值以下时不会脱扣，超过后则会脱扣。短路保护的动作门限为5倍额定电流，定时限脱扣时间为0.01秒（10毫秒）。图6中的C特性空气开关适用于普通负载回路的线路保护。其反时限过载保护曲线与B特性一致，1.45倍额定电流以下不动作，超出则脱扣。短路保护的动作门限为10倍额定电流，定时限脱扣时间为10毫秒，相比B特性门槛更高。图6中的D特性空气开关适用于冲击性负载回路的线路保护。其反时限过载保护曲线与B特性一致，1.45倍额定电流以下不会脱扣，超过则会脱扣。短路保护的动作门限为20倍额定电流，定时限脱扣时间为10毫秒。图6中的K特性空气开关主要用于电机控制。其反时限特性在1.20倍额定电流以上触发脱扣，短路保护的启动门槛为14倍额定电流，而定时限脱扣动作时间为10毫秒。因此，选择空气开关时，务必关注脱扣特性匹配，选用合适的开关才更安全可靠。所示，这是普通款空气开关的参数：

再来看看电动机型空气开关（K特性）的参数：

空气开关的额定电流应大于实际负载电流的1.15倍。空气开关的极限短路分断能力，需超过系统短路电流值以确保安全。家用配电系统中，短路电流通常不超6kA，因此选择空气开关时，应确保其极限短路分断能力Icu不低于6kA。下图展示的是ABB品牌S202M系列C10型号空气开关，额定电流10安培，脱扣特性为C级。

图9所示空气开关适用于直流电路的控制与线路保护。再看这个空气开关的侧面：

此处显示，极限短路分断能力Icu=kA（440V额定电压），适用于常规末端电路系统。这里涉及两个标准，一是IEC60947-2，二是GB/T 14048.2-2020低压开关设备和控制设备第2部分：断路器，二者内容等效，可同等适用。

极限短路分断能力Icu的具体含义，可查看以下链接了解。ICU和ICW对断路器工作原理的理解至关重要，此外，断路器的电流参数不等式同样关键。 ，式5

以下链接仅供参考使用故事暂时告一段落。